アセチルCoA合成酵素

アセチルCoA合成酵素（ACS）または酢酸CoAリガーゼは、酢酸の代謝に関与する酵素（EC 6.2.1.1）です。これはリガーゼクラスの酵素であり、2つの大きな分子間の新しい化学結合の形成を触媒します。

アセチル CoA を構成する 2 つの分子は、酢酸と補酵素 A (CoA) です。すべての基質と生成物を含む完全な反応は次のようになります。

ATP + 酢酸 + CoA → AMP +ピロリン酸+アセチルCoA ^[1]

アセチルCoAが形成されると、好気呼吸のTCA回路でエネルギーと電子のキャリアを生成するために使用できます。これは回路を開始する代替方法であり、より一般的な方法はピルビン酸からピルビン酸脱水素酵素複合体を介してアセチルCoAを生成することです。酵素の活動はミトコンドリアマトリックスで行われるため、生成物は次の代謝段階で使用するために適切な場所に配置されます。^[2]アセチルCoAは脂肪酸合成にも使用でき、合成酵素の一般的な機能は、この目的でアセチルCoAを生成することです。^[3]

アセチルCoA合成酵素によって触媒される反応は2段階で進行する。まず、AMPが酵素に結合して活性部位の構造変化を引き起こし、反応が起こるようにする必要がある。活性部位はAクラスターと呼ばれる。^[4] Co-Aが結合する最初の反応を触媒するには、活性部位に重要なリジン残基が存在する必要がある。その後、Co-Aは活性部位で回転し、酢酸がCoAに共有結合できる位置に移動します。共有結合は、Co-Aの硫黄原子と酢酸の中心炭素原子の間に形成されます。^[5]

アセチルCoA合成酵素のACS1型はfacA遺伝子によってコードされており、酢酸によって活性化され、グルコースによって不活性化される。^[6]

非対称ACS（RCSB PDB ID番号：1PG3）の3次元構造は、2つのサブユニットで構成されていることを示しています。各サブユニットは主に2つのドメインで構成されています。大きい方のN末端ドメインは517残基で構成され、小さい方のC末端ドメインは130残基で構成されています。^[7]各サブユニットには、リガンドが保持される活性部位があります。ACSの結晶構造は、CoAとアデノシン-5'-プロピルリン酸を酵素に結合させて決定されました。アデノシン-5'-プロピルリン酸を使用する理由は、それが酵素の立体構造変化を防ぐATP競合阻害剤であるためです。AMP/ATPのアデニン環は、残基Ile（512）とTrp（413）によって作成された疎水性ポケットに保持されています。^[7]

結晶構造の元となったのは、サルモネラチフス菌（LT2 / SGSC1412 / ATCC 700720株）です。ACSの遺伝子は、大腸菌BL21（DE3）に導入され、発現されました。酵素を単離する過程でのクロマトグラフィー中に、サブユニットが個別に分離され、全体の構造が個別に決定されました。^[7]構造を決定するために使用された方法は、 2.3オングストロームの解像度を持つX線回折でした。ユニットセルの値と角度は次の表に示されています。

ACS酵素の役割は、酢酸とコエンザイムAを結合してアセチルCoAを形成することですが、その重要性ははるかに大きいです。この酵素反応の生成物の最もよく知られている機能は、TCA回路の役割と脂肪酸の生成におけるアセチルCoAの使用です。この酵素は、ヒストンのアセチル化と遺伝子調節の作用に不可欠です。 ^{[9]このアセチル化の影響は、哺乳類に広範囲に及んでいます。マウスの}海馬領域でのACS遺伝子のダウンレギュレーションにより、ヒストンのアセチル化レベルが低下することが示されていますが、動物の長期的な空間記憶も損なわれます。この結果は、細胞代謝、遺伝子調節、認知機能の間の関連を示しています。^[9]この酵素は、結腸直腸癌における腫瘍の存在を示す興味深いバイオマーカーであることが示されています。遺伝子が存在すると、細胞はストレス条件下で酢酸を食料源として摂取し、アセチルCoAに変換することができます。進行癌腫瘍の場合、この酵素の遺伝子はダウンレギュレーションされており、5年生存率が低いことが示されています。^[10]この酵素の発現は転移性腫瘍リンパ節の発生にも関連しており、腎細胞癌患者の生存率を低下させます。^[11]

酵素の活性はいくつかの方法で制御されています。活性部位の必須リジン残基は、活性の調節に重要な役割を果たします。リジン分子は、サーチュインと呼ばれる別のクラスの酵素によって脱アセチル化されます。哺乳類では、細胞質核合成酵素 (AceCS1) はSIRT1によって活性化され、ミトコンドリア合成酵素 (AceCS2) はSIRT3によって活性化されます。この作用により、この酵素の活性が高まります。^[2]リジン残基の正確な位置は種によって異なり、ヒトでは Lys-642 に発生しますが、酵素の活性部位には常に存在します。^{[12] AMP 分子の結合に伴って必須の}アロステリック変化 が発生するため、AMP の存在は酵素の調節に寄与する可能性があります。AMP の濃度は、アロステリック結合部位に結合して他の基質が活性部位に入ることができるように十分に高くなければなりません。また、銅イオンは、Aクラスター活性部位の近位部位を占有することでアセチルCoA合成酵素を不活性化し、酵素がメチル基を受け入れてウッド・リュングダール経路に参加できないようにします。^{[4]すべての酵素と同様に、適切な機能にはすべての反応物が適切な濃度で存在することが必要です。アセチルCoA合成酵素は、}脂肪酸合成 に必要なときにも生成されますが、通常の条件下では、遺伝子は不活性であり、必要に応じて転写を活性化する特定の転写因子を持っています。^[3] サーチュインに加えて、タンパク質脱アセチル化酵素（AcuC）もリジン残基でアセチルCoA合成酵素を修飾することができます。ただし、サーチュインとは異なり、AcuCは共基質としてNAD +を必要としません。^[13]

アセチルCoA合成酵素の活性は通常、代謝経路と関連しているが、この酵素は遺伝子発現にも関与している。酵母では、アセチルCoA合成酵素はヒストンアセチルトランスフェラーゼにアセチルCoAを渡し、ヒストンをアセチル化する。正しいアセチル化がなければ、DNAは適切にクロマチンに凝縮できず、必然的に転写エラーが発生する。^[14]

アセチルCoAを基質として使用する経路を利用することで、消費者向け製品となる可能性のある人工製品を得ることができます。acs遺伝子を過剰発現させ、酢酸を原料として使用することで、脂肪酸（FA）の生産を増やすことができます。^{[15]酢酸は}大腸菌の代謝の通常の廃棄物であり、高濃度では生物に有毒であるため、酢酸を原料として使用することは一般的ではありません。大腸菌を酢酸を原料として使用するように適応させることで、これらの微生物は生き残り、人工製品を生産することができました。これらの脂肪酸は、培地から分離した後、バイオ燃料として使用することができ、使用可能なバイオディーゼル燃料を生成するためにさらに処理（エステル交換）する必要があります。高レベルの酢酸摂取を誘導するための元の適応プロトコルは、大腸菌で飢餓メカニズムを誘導する手段として1959年に発明されました。^[16]

${\displaystyle 酢酸\Longrightarrow アセチルCoA}$

${\displaystyle アセチルCoA\Longrightarrow FAs}$

解糖系で糖が分解されて得られるアセチルCoAは脂肪酸の生成に利用されてきた。しかし、キースリング株は独自のエタノールを合成し、脂肪酸をさらに処理（エステル交換反応）して安定した脂肪酸エチルエステル（FAEE）を生成できるという点で違いがある。ディーゼルエンジンで使用可能な燃料製品を得る前に、さらなる処理が不要になる。^[17]

${\displaystyle グルコース\Longrightarrow アセチルCoA}$

アセチルCoAはエタノールと脂肪酸の両方の生産に使用されます

${\displaystyle アセチルCoA\Longrightarrow 脂肪酸+エタノール}$

${\displaystyle 脂肪酸+エタノール\Longrightarrow FAEE}$

予備研究では、上記の方法を組み合わせて酢酸を唯一の炭素源として使用し、これら2つの方法を組み合わせることでFAEEが生成されるという結果が出ています。^{[18] [信頼できない情報源]}言及されているすべての方法の生産レベルは、大規模なアプリケーションに必要なレベルには達していません（まだ）。